Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Úplný odraz svetla v kontexte medicíny a informačných technológií a informačných technológií
Vlachovice 2013
Martina Horváthová
FMFI UK, Bratislava
• Prečo téma úplný odraz ?
• Zvyčajný postup učebníc: vysvetlenie javu, v závere spomenuté aplikácie – náš námet: naopak
• Snaha o aktivizáciu žiakov
• Názorné pokusy
• Rôzne aplikácie v praxi • Rôzne aplikácie v praxi
• Návrh dvoch vyučovacích hodín (vyššie gymn.)
otvor pre oko
otvor pre svetlo
nápis
škatuľa, vo vnútri čierna
Prvá vyučovacia hodina
škatuľa, vo vnútri čierna
Zistite, čo je na zadnej stene škatule oproti otvoru pre oko
3 minúty - priestor pre žiacke návrhy
Endoskop, laparoskopická operácia(lapara – lat., mäkké miesto v tele, scopia – lat., pozorovať, endo – vo vnútri)
5 minút - pomocný obrázok, medzipredmetová vsuvka
Endoskopická vyšetrovacia metóda Aký orgán tela touto metódou vyšetrujeme
Gastroskopia pažerák, žalúdok, dvanástorníkaEnteroskopia tenkéčrevoKolonoskpia hrubéčrevoRektoskopia konečníkLaryngoskopia hrtanBronchoskopia dolné dýchacie cestyKolposkopia pošva,krčekmaterniceKolposkopia pošva,krčekmaterniceHysteroskopia maternicaCystoskopia močový mechúrThorakoskopia hrudná dutina, pohrudnica a pľúcaMediastinoskopia uzliny v medzihrudíOtoskopia vonkajší zvukovod, bubienokRhinoskopia nosová dutinaOftalmoskopia meranie očného pozadiaArtroskopia väčšie kĺby
otvor pre oko
otvor pre svetlo
nápis
škatuľa, vo vnútri čierna
Čo má náš model so skutočnosťou spoločné a čo rozdielne?
Svetlo vieme dostať „za roh“
5 minút - demonštračný experiment, učiteľ , študenti, + vyriešenie problému s nápisom v škatuli z úvodu hodiny
Prečo ide svetlo vo vnútri trubice (vlákna) krivo?trubice (vlákna) krivo?
20 minút - séria demonštračných experimentov učiteľa aj študentov
POKUS - VIDEO
POKUS - VIDEO
http://www.youtube.com/watch?v=0MwMkBET_5I
Pokus s vytekajúcim prúdom vody z PET fľaše – čo sa deje s lúčom?
http://www.youtube.com/watch?v=0MwMkBET_5I
O aký fyzikálny jav ide, od čoho závisí?
Rozhranie plexisklo - vzduch
Uhol dopadu 30° Uhol dopadu 40°
Uhol dopadu 42° Uhol dopadu 43°
3 minúty - pozorovanie, od čoho závisí úplný odraz – 1. uhol dopadu, pojem medzný uhol
Rozhranie plexisklo - voda
Uhol dopadu 60° Uhol dopadu 62° Uhol dopadu 65°
3 minúty - pozorovanie, od čoho ešte závisí úplný odraz – 2. od optických charakteristík prostredí na rozhraní
Overenie Snellovho zákona
1.Rozhranie sklo – vzduch – meriame medzný uhol dopočítame index lomu plexiskla - overenie s tabuľkovou hodnotouhodnotou
2. Rozhranie sklo – voda – výpočtom určíme medzný uhol, overíme pokusom
cca 10 minút - meranie po skupinách
Optické vlákno je schopné naviazať svetlo
3 minúty - pozorovanie, študenti, vysvetlenie, možný pokus –dlhšie vlákno vysielať signály (svetlo – tma) morzeovkou .
φ
nevedený lúč
vedený lúč
príjmový kužel
Optické vlákno
βmax
φ
αmax
n o n 1 n 2 jadro
obal
Otázka : Čo sa stane so svetlom, ak zmenšujete polomer ohnutia vlákna?
2 minúty - pozorovanie, študenti, vysvetlenie, pokus s vláknom bez obalu, v mieste ohybu svieti
Záver prvej hodiny
Svetlo sa šíri priamočiaro (presnejšie po dráhe s minimálnym časom)
Ak chcem dráhu zakriviť (dostať svetlo za Ak chcem dráhu zakriviť (dostať svetlo za roh) – pomôžem si najpraktickejšie úplným odrazom
Kedy dôjde k úplnému odrazu závisí od uhla a optických charakteristík prostredí
Druhá vyučovacia hodina
KDE VŠADE SÚ ULOŽENÉ OPTICKÉ KÁBLE?
http://gcaptain.com/the-2008-submarine-cable-map/?1605
História-Ďaleká história - oheň, dym - jedna informácia, pomerne malé vzdialenosti (dnes semafory)- značne závislé od vonkajších podmienok.
-Druhá polovica 19.storočia - priemyselný rozvoj - potreba prenosu väčšieho množstva informácií : elektrotechnické objavy: telegraf
(Morse, 1844) a telefón (Bell, 1870), neskôr diaľnopis.
-1880 A.G.Bell – fotofón –prenos reči na priamu vzdialenosť cca 200m, -1880 A.G.Bell – fotofón –prenos reči na priamu vzdialenosť cca 200m, veľmi závislé od vonkajších podmienok
-1929 J.L.Baird (vynálezca televízie) prenos obrazu za „roh laboratória“ - kábel z tisícky sklenených vlákien – obraz veľmi nekvalitný → svetlo nevhodné na prenos signálu, vhodnejšie rádiové vlny (1-10 GHz) s použitím koaxiálnych káblov (kapacita prenosu 10 Mb/s)
-Začiatok 2. polovice 20. storočia – myšlienka využiť svetlo na prenos informácií
Pokus prenos obrazu – J. L. Baird –vynálezca televízie, 1929
-1960 T. Maiman – objav lasera (možnosť 1000 krát viac hovorov ako pomocou rádiových vĺn šírených koaxiálnymi káblami) – problém neexistencie vhodného média na prenos
-1965 Charles Kao - nápad použiť sklenené vlákna zdroj LED + nedokonalá technológia výroby OV = straty až 1 dB na 33 cm dĺžky OV-2009 Nobelova cena za fyziku : Charles Kao
História
http://1.bp.blogspot.com/_Xu1Sdat4pgU/Ss4a8Uaf3pI/AAAAAAAAB40/_hhwKS3c_aI/s400/Charles+Kao.jpg
http://t3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRwMmluCDSz0X2uVPM4t-8T1G478cufKbmqZJrFZBSrbsb411WVEw
-tabuľa zo skla na výrobu OV s hrúbkou 110 km je rovnako priehľadná, ako tabuľa skla v okne s hrúbkou cca 1 cm (videli by sme napríklad na dno Mariánskej priekopy)
-všetky dnes používané optokáble omotajú Zem asi 25-tisíckrát + každú hodinu toto vlákno narastie o niekoľko tisícok km
-prvý zaoceánsky atlantický kábel z OV: 1988 - kapacita 40 000
Zaujímavosti
-prvý zaoceánsky atlantický kábel z OV: 1988 - kapacita 40 000 hovorov. prelom storočí - kapacita viac ako 3 milióny hovorov
-Lord Kelvin (William Thompson, 1824-1907) bol povýšený do šľachtického stavu vďaka svojej práci pri kladení transatlantických káblov
- v roku 1866 pri prenosovej rýchlosti 8 slov za minútu medzi Kanadou a Írskom bola cena za prenos 20 slov 100 USD
Cyrus W. Field – americký finančník , júl 1866, ( 8 slov za minútu, cena za 20 slov bola 100 USD)
http://atlantic-cable.com/Images/EighthWonderL.jpg
Transatlantický kábel rok Rýchlosť prenosu
Atlantic, Írsko- Newfoundland 1858 Niekoľko slov za hodinu
Atlantic, Írsko-Newfoundland 1866 6 - 8 slov za minútu
Dlhé káble s automatickým
prenosom
1898 40 slov za minútu
Newfoundland-Azory 1928 400 slov za minútu
Atlantic, TAT-1 1956 36 telefonických kanálov
Atlantic, TAT-2 1959 48 telefonických kanálov
Atlantic, CANTAT 1961 80 telefonických kanálov
Atlantic, TAT-3 1963 138 telefonických kanálov
Atlantic, TAT-5 1970 845 telefonických kanálovAtlantic, TAT-5 1970 845 telefonických kanálov
Atlantic, TAT-6 1976 4,000 telefonických kanálov
Atlantic, TAT-8 1988 280 Mbits/s (40,000 telefonických kanálov)
Atlantic, TAT-9 1992 2 x 565 Mbits/s (2*80,000 telefonických
kanálov)
Atlantic TAT-12/13 1996 2 x 5 Gbit/s
Atlantic, TAT-14 2001 4 x 16 x 10 Gbit/s - 640 Gbit/s (9,700,000
telefonických kanálov).
Atlantic, VSNL (TGN) 2001 2 x 2,520 Gbit/s
Hibernia Atlantic (daný do
prevádzky v 2001, čiastočne
modernizovaný v roku 2007)
2007 10 Gbit / s na transatlantickej časti, 40 Gbit / s z
Bostonu do Nového Škótska. 1.9TB systémovej
kapacity, 7.68TB na rekonštruovaných častiach
http
://a
tlan
tic-
cab
le.c
om
/
Vizualizácia trasy
http://www.yougetsignal.com/tools/visual-tracert/
Ako sa optické káble dostali do mora?
Motivačné videá ako sa ukladá podmorský kábel
http://www.youtube.com/watch?v=KulqAHJ16UQ&feature=results_main&playnext=1&list=PL7F1CFBDFAD6666BA (3:30 – 4:27)
http://www.youtube.com/watch?v=XQVzU_YQ3IQ ( celé 1:07)
Pokladanie podmorského kábla v minulosti : http://www.youtube.com/watch?v=JLVFKHJcBMM&feature=related
Ako sa vyrába optické vlákno: http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=u1DRrAhQJtM
ĎALŠIE VYUŽITIE OPTICKÝCH VLÁKIEN - SENZORY
Senzory (automobilový a letecký priemysel, vojenstvo, automatizácia)
-Na čo by mohli senzory na obrázkoch využiť? Porozmýšľajte.
senzor hladiny kvapaliny transmisný senzor
zdrojdetektor
optické vláknoako U – sonda
Reflexný senzor
ĎALŠIE VYUŽITIE OPTICKÝCH VLÁKIEN - SENZORY
Transmisný senzor prítomnosti kvapaliny
ĎALŠIE VYUŽITIE OPTICKÝCH VLÁKIEN – DEKORAČNÉ OSVETLENIA
http://www.ledeco.sk/
Dajú sa využiť komerčné aparatúry
Ďalšie pokračovanie témy – kvantitatívne pokusy
Ďalšie pokračovanie témy – kvantitatívne pokusy
Možnosť vyrobiť si vlastnú aparatúru –zdroj (intenzívna žiariaca LED, laser, batéria), detektor (fotodióda, multimeter), optické vlákno, konektory optické vlákno, konektory
9 V
galvanometer
optická trasazdroj svetla detektor svetla
LED - dióda fotodióda
optické vlákno
-Vyžarovacia charakteristika (príjmový kužeľ)
-Výchylky pri spájaní vlákien (priečne, pozdĺžne, uhlové )
-Ohyb vlákna (závislosť intenzita svetla na výstupe od polomeru otočenia, od počtu závitov)od polomeru otočenia, od počtu závitov)
-Mikroohyb vlákna (meranie hmotnosti, poplašné zariadenie)
Senzory – reflexné, transmisné, hladiny kvapaliny (U-sonda)
Ďakujem za pozornosť
Martina HorváthováFMFI UK Bratislava
Príspevok je súčasťou riešenia grantovej úlohy KEGA č. 130UK-4/2013